技术领域
[0001] 本
发明涉及一种铝基复合材料的制备方法。
背景技术
[0002] 复合材料是由两种或两种以上的具有不同性质的金属或非金属材料通过一定的加工工艺方法制备出的多相材料。目前复合材料制备方法主要有粉末
冶金法、高能-高速固结法、压
力浸渗
铸造法及液态金属搅拌铸造法；其中
粉末冶金法和高能-高速固结法制造工艺和装备复杂，生产成本高，而压力浸渗铸造法及液态金属搅拌铸造法中铝基体是以液态金属的形式存在，通过铝基体溶化后与增强体相互混合并达到均匀状态来制备铝基复合材料，但
熔化的铝基体及增强体在高温状态下会与
氧化性气氛发生相互作用，形成金属间化合物、氧化物等夹渣，将严重降低复合材料性能，影响铝基复合材料的使用安全。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种高效、低成本的铝基复合材料制备方法。
[0004] 本发明技术方案为铝基复合材料制备方法：
[0005] 第一步：根据所要制备的铝基复合材料中增强体和铝基体材料比例，称取相应比例的基体材料和增强体材料；
[0006] 第二步：
酸洗或机械打磨方法去除铝基体板材表面上的Al2O3氧化膜，将除去Al2O3氧化膜的铝基体板材放置于
真空干燥箱中，对真空干燥箱做抽真空处理，真空度为5×10-2Mpa,设定真空干燥箱
温度为50℃，50℃下干燥3小时；
[0007] 第三步：将准备好的铝基体和增强体材料，以铝基体板材为
底板，通过
火焰喷涂、
等离子喷涂或粉刷等方式将增强体材料均匀涂敷在铝基体板材上，并根据所需添加增强体材料的量确定涂敷层的厚度，最后将涂敷有增强体材料的铝基体板材放置于真空干燥箱中，对真空干燥箱做抽真空处理，真空度为5×10-2Mpa,设定真空干燥箱温度为50℃，50℃下干燥4小时；
[0008] 第四步：将准备好的带增强体材料涂层的铝基体板材逐层
叠加并
压实，通过装夹U型槽宽度及所需铝基复合材料整体厚度共同确定叠加体厚度；
[0009] 第五步：将第四步确定好厚度叠加体，通过
螺栓、
螺母及固定
压板进行装夹固定，并将螺母
锁紧；
[0010] 第六步：根据第五步准备好的装夹体厚度选择搅拌工具尺寸，搅拌工具的搅拌针长度要稍小于厚度，并将搅拌工具安装到加工设备上；
[0011] 第七步：将第五步准备好的装夹体通过装夹U型槽、压板、螺栓和螺母等部件装夹固定到
工作台上；
[0012] 第八步：根据第五步的装夹体厚度、长度及所制备复合材料性质差异，制定
主轴转速、主轴倾
角、-Z方向行走距离、-Z方向行走速度、Y方向行走距离、Y方向行走速度、Z方向行走距离、Z方向行走速度等加工工艺参数，并将加工工艺参数输入到控制系统中；
[0013] 第九步：设定加工起点，手动控制搅拌工具到达待加工叠加体的一端，使搅拌工具与待加工叠加体表面距离为0.2mm，并与待加工叠加体较近一侧的端面保持在2～3cm距离；
[0014] 第十步：启动加工设备进行搅拌加工，搅拌工具首先达到设定转速，沿着-Z方向行走到设定距离，再沿Y方向以速度行走进行搅拌加工，到达设定行走距离后，搅拌工具上升，搅拌加工过程完毕；
[0015] 第十一步：待第十步第一道加工完毕后，拆卸装配体，通过
铣床将加工表面
铣削平整；
[0016] 第十二步：将装夹体再次装配到工作台上，装夹固定；
[0017] 第十三步：在与第一道加工工序相邻
位置重新设定加工起点，重复第九步、第十步、第十一步、第十二步，直到将整个待加工面加工完毕为止。
[0018] 搅拌加工设备包括台式搅拌摩擦焊机、静龙
门搅拌摩擦焊机、动龙门搅拌摩擦焊机；搅拌头种类为单轴肩搅拌头，搅拌头尺寸根据待加工材料厚度及宽度确定；所述搅拌头材料包括选自以下的一种或几种的组合：不锈
钢、中
碳钢、高
碳钢、工具钢、高温镍基
合金；所述铝板材，厚度在0.2～1mm；所述增强体材料，包括晶须、玻璃
纤维、
碳纤维、
硼纤维、芳纶纤维、碳化
硅纤维、
石棉纤维、晶须、金属丝、碳化硅(SiC)颗粒、氮化硅(Si3N4)颗粒、氮化硼(BN)颗粒、氮化铝(AlN)颗粒、氧化铝(Al2O3)颗粒、氧化镁(MgO)颗粒、
石墨颗粒，晶须、纤维及颗粒增强体材料尺寸根据铝基复合材料实际需要确定。
[0019] 工作原理
[0020] 1.基体材料为不同厚度的
铝合金板材；增强体材料为晶须、纤维或颗粒。
[0021] 2.增强体材料在基体材料上均匀平铺，增强体图层厚度根据所需添加增强体量确定，并与基体材料一层一层交替叠加。
[0022] 3.待加工材料按照图5、图6两种加工方式进行装夹加工，利用高速旋转的搅拌头与基体材料摩擦使其
软化，并带动夹层中的增强体材料做高速旋转，在高速旋转的过程中与软化的铝基体材料进行均匀的混合，最终形成高
质量的铝基复合材料。
[0023] 技术效果：
[0024] 目前复合材料制备方法主要有粉末冶金法、高能-高速固结法、压力浸渗铸造法及液态金属搅拌铸造法；其中粉末冶金法和高能-高速固结法制造工艺和装备复杂，生产成本高，而压力浸渗铸造法及液态金属搅拌铸造法中铝基体是以液态金属的形式存在，通过铝基体溶化后与增强体相互混合并达到均匀状态来制备铝基复合材料，但熔化的铝基体及增强体在高温状态下会与氧化性气氛发生相互作用，形成金属间化合物、氧化物等夹渣，将严重降低复合材料性能，影响铝基复合材料的使用安全。而本发明的一种铝基复合材料制备方法，主要是基于
搅拌摩擦加工工艺方法，将铝基体板材充分搅拌摩擦加热达到热塑性状态，同时带动铝基体板材间的增强体材料与处于热塑形状态的铝基体材料进行充分的混合并达到均匀化状态，最终得到铝基复合材料。本发明最大技术优点是铝基复合材料制备过程中铝材一直处于塑形状态而未熔化，降低了铝材与空气中的氧化性气体的反应，减少了氧化物的产生，并且最外层的铝基体板材隔绝了增强体材料与空气的
接触，将最大程度的提供铝基复合材料的整体性能。此外，增强体材料结构形式及铝基体与增强体添加比例可根据铝基复合材料的性能需求而进行配比，根据使用环境要求来调配铝基复合材料性能。
附图说明
[0025] 图1为本发明所用的增强体材料
[0026] 图2为本发明所用铝基体材料形式
[0027] 图3为本发明所用基体和增强体的X方向叠加体
[0028] 图4为本发明所用基体和增强体的Z方向叠加体
[0029] 图5为本发明所用的装夹U型槽
[0030] 图6为本发明所用的装夹压板
[0031] 图7为本发明所用的装夹螺栓
[0032] 图8为本发明所用的装夹螺母
[0034] 图10为本发明所用搅拌工具
[0035] 图11为本发明复合材料制备方法1的X方向叠加体的装夹体
[0036] 图12为本发明的复合材料制备方法1装配示意图的主视图
[0037] 图13为本发明的复合材料制备方法1装配示意图的侧视图
[0038] 图14为本发明的复合材料制备方法2装配示意图的主视图
[0039] 图15为本发明的复合材料制备方法2装配示意图的侧视图。
[0040] 具体实施方
[0041] 一种铝基复合材料制备方法，包括如下步骤：第一步：根据所要制备的铝基复合材料中增强体和铝基体材料比例，称取相应比例的基体材料和增强体材料；
[0042] 第二步：酸洗或机械打磨方法去除铝基体板材表面上的Al2O3氧化膜，将除去Al2O3氧化膜的铝基体板材放置于真空干燥箱中，对真空干燥箱做抽真空处理，真空度为5×10-2Mpa,设定真空干燥箱温度为50℃，50℃下干燥3小时；
[0043] 第三步：将准备好的铝基体和增强体材料，以铝基体板材为底板，通过
火焰喷涂、等离子喷涂或粉刷等方式将增强体材料均匀涂敷在铝基体板材上，并根据所需添加增强体材料的量确定涂敷层的厚度，最后将涂敷有增强体材料的铝基体板材放置于真空干燥箱中，对真空干燥箱做抽真空处理，真空度为5×10-2Mpa,设定真空干燥箱温度为50℃，50℃下干燥4小时；
[0044] 第四步：将准备好的带增强体材料涂层的铝基体板材逐层叠加并压实，通过装夹U型槽宽度及所需铝基复合材料整体厚度共同确定叠加体厚度；
[0045] 第五步：将第四步确定好厚度叠加体，通过螺栓、螺母及固定压板进行装夹固定，并将螺母锁紧；
[0046] 第六步：根据第五步准备好的装夹体厚度选择搅拌工具尺寸，搅拌工具的搅拌针长度要稍小于厚度，并将搅拌工具安装到加工设备上；
[0047] 第七步：将第五步准备好的装夹体通过装夹U型槽、压板、螺栓和螺母等部件装夹固定到工作台上；
[0048] 第八步：根据第五步的装夹体厚度、长度及所制备复合材料性质差异，制定主轴转速、主轴倾角、-Z方向行走距离、-Z方向行走速度、Y方向行走距离、Y方向行走速度、Z方向行走距离、Z方向行走速度等加工工艺参数，并将加工工艺参数输入到控制系统中；
[0049] 第九步：设定加工起点，手动控制搅拌工具到达待加工叠加体的一端，使搅拌工具与待加工叠加体表面距离为0.2mm，并与待加工叠加体较近一侧的端面保持在2～3cm距离；
[0050] 第十步：启动加工设备进行搅拌加工，搅拌工具首先达到设定转速，沿着-Z方向行走到设定距离，再沿Y方向以速度行走进行搅拌加工，到达设定行走距离后，搅拌工具上升，搅拌加工过程完毕；
[0051] 第十一步：待第十步第一道加工完毕后，拆卸装配体，通过铣床将加工表面铣削平整；
[0052] 第十二步：将装夹体再次装配到工作台上，装夹固定；
[0053] 第十三步：在与第一道加工工序相邻位置重新设定加工起点，重复第九步、第十步、第十一步、第十二步，直到将整个待加工面加工完毕为止。
[0054] 搅拌加工设备包括台式搅拌摩擦焊机、静龙门搅拌摩擦焊机、动龙门搅拌摩擦焊机；搅拌头种类为单轴肩搅拌头，搅拌头尺寸根据待加工材料厚度及宽度确定；所述搅拌头材料包括选自以下的一种或几种的组合：
不锈钢、中碳钢、高碳钢、工具钢、高温镍基合金；所述铝板材，厚度在0.2～1mm；所述增强体材料，包括晶须、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝、碳化硅(SiC)颗粒、氮化硅(Si3N4)颗粒、氮化硼(BN)颗粒、氮化铝(AlN)颗粒、氧化铝(Al2O3)颗粒、氧化镁(MgO)颗粒、石墨颗粒，晶须、纤维及颗粒增强体材料尺寸根据铝基复合材料实际需要确定。
[0055] 实例1：
[0056] 步骤一：根据所要制备的铝基复合材料中增强体如图1所示和铝基体材料如图2所示比例，称取相应比例的基体材料和增强体材料。
[0057] 步骤二：铝基体板材通
过酸洗或机械打磨等方法去除表面Al2O3氧化膜，将除去Al2O3氧化膜的铝基体板材放置于真空干燥箱中，对真空干燥箱做抽真空处理，真空度为5×10-2Mpa,设定真空干燥箱温度为50℃，50℃下干燥3小时。
[0058] 步骤三：将步骤二准备好的铝基体和增强体材料，以铝基体板材为底板，通过火焰喷涂、等离子等喷涂方法或粉刷等方式将增强体材料均匀涂敷在铝基体板材上，并根据所需添加增强体材料的量确定涂敷层的厚度，最后将涂敷有增强体材料的铝基体板材放置于真空干燥箱中，对真空干燥箱做抽真空处理，真空度为5×10-2Mpa,设定真空干燥箱温度为50℃，50℃下干燥4小时。
[0059] 步骤四：将步骤三准备好的带增强体材料涂层的铝基体板材按照图3中X方向叠加体进行逐层叠加并压实，叠加体沿X方向的厚度X1根据装夹U型槽如图5所示宽度及所需铝基复合材料整体厚度来共同确定，不限于某一确定数值。
[0060] 步骤五：将步骤四确定好厚度X1的X方向叠加体如图4所示，通过螺栓如图7所示、螺母如图8所示及固定压板如图9所示进行装夹固定，装夹固定成图11所示的装夹体，螺母锁紧。
[0061] 步骤六：根据步骤五所准备的X方向装夹体沿Z方向的厚度Z1选择搅拌工具尺寸如图10所示，搅拌工具的搅拌针长度要稍小于厚度Z1，并将搅拌工具安装到加工设备上。
[0062] 步骤七：将步骤五所准备的X方向装夹体采用装夹U型槽如图5所示、压板如图6所示、螺栓如图7所示和螺母如图8所示等部件，通过图12和图13所示方式将X方向装夹体固定到工作台上。
[0063] 步骤八：根据步骤五所准备X方向装夹体厚度Z1、Y方向长度Y1及所制备复合材料性质差异，制定主轴转速S1、主轴倾角α1、-Z方向行走距离、-Z方向行走速度、Y方向行走距离、Y方向行走速度V1、Z方向行走距离、Z方向行走速度等加工工艺参数。
[0064] 步骤九：将步骤八制定的主轴转速S1、主轴倾角α1、-Z方向行走距离、-Z方向行走速度、Y方向行走距离、Y方向行走速度V1、Z方向行走距离、Z方向行走速度等加工工艺参数输入到控制系统中。
[0065] 步骤十：设定加工起点。手动控制搅拌工具到达待加工X方向叠加体的一端，使搅拌工具与待加工X方向叠加体表面距离为0.2mm，并与待加工X方向叠加体较近一侧的XZ端面保持在2～3cm距离。
[0066] 步骤十一：启动加工设备进行搅拌加工。搅拌工具首先达到设定转速S1，沿着-Z方向行走到设定距离，再沿Y方向以速度V1行走进行搅拌加工，到达设定行走距离后，搅拌工具上升，搅拌加工过程完毕。
[0067] 步骤十二：步骤十一第一道加工完毕后，拆卸装配体，通过铣床将加工表面铣削平整。
[0068] 步骤十三：再次将X方向装夹体装配到工作台上。
[0069] 步骤十四：在与第一道加工工序相邻位置重新设定加工起点，重复步骤十一、步骤十二、步骤十三，直到将整个待加工面加工完毕为止。
[0070] 实例2：
[0071] 步骤一：根据所要制备的铝基复合材料中增强体如图1所示和铝基体如图2所示材料比例，称取相应比例的基体材料和增强体材料。
[0072] 步骤二：铝基体板材通过酸洗或机械打磨等方法去除表面Al2O3氧化膜，将除去Al2O3氧化膜的铝基体板材放置于真空干燥箱中，对真空干燥箱做抽真空处理，真空度为5×10-2Mpa,设定真空干燥箱温度为50℃，50℃下干燥3小时。
[0073] 步骤三：将步骤二准备好的铝基体和增强体材料，以铝基体板材为底板，通过火焰喷涂、等离子等喷涂方法或粉刷等方式将增强体材料均匀涂敷在铝基体板材上，并根据所需添加增强体材料的量确定涂敷层的厚度，最后将涂敷有增强体材料的铝基体板材放置于真空干燥箱中，对真空干燥箱做抽真空处理，真空度为5×10-2Mpa,设定真空干燥箱温度为50℃，50℃下干燥4小时。
[0074] 步骤四：将步骤三准备好的带增强体材料涂层的铝基体板材按照图4中Z方向叠加体进行逐层叠加并压实，叠加体沿Z方向的厚度Z2根据装夹U型槽如图5所示及所需铝基复合材料整体厚度来共同确定，不限于某一确定数值。
[0075] 步骤五：根据步骤四所准备的Z方向装夹体沿Z方向的厚度Z2选择搅拌工具尺寸如图10所示，搅拌工具的搅拌针长度要稍小于厚度Z2，并将搅拌工具安装到加工设备上。
[0076] 步骤六：将步骤四所准备的Z方向叠加体通过装夹U型槽如图5所示、压板如图6所示、螺栓如图7所示和螺母如图8所示等装夹部件，按照图14和图15的装夹方式将Z方向叠加体装夹固定到工作台上。
[0077] 步骤七：根据步骤五所准备Z方向装夹体厚度Z2、Y方向长度Y2及所制备复合材料性质差异，制定主轴转速S2、主轴倾角α2、-Z方向行走距离、-Z方向行走速度、Y方向行走距离、Y方向行走速度V2、Z方向行走距离、Z方向行走速度等加工工艺参数。
[0078] 步骤八：将步骤七制定的主轴转速S2、主轴倾角α2、-Z方向行走距离、-Z方向行走速度、Y方向行走距离、Y方向行走速度V2、Z方向行走距离、Z方向行走速度等加工工艺参数输入到加工控制系统中。
[0079] 步骤九：设定加工起点。手动控制搅拌工具到达待加工Z方向叠加体的一端，使搅拌工具与待加工Z方向叠加体表面距离为0.2mm，并与待加工Z方向叠加体较近一侧的XZ端面保持在2～3cm距离。
[0080] 步骤十：启动加工设备进行搅拌加工。搅拌工具首先达到设定转速S2，沿着-Z方向行走到设定距离，再沿Y方向以速度V2行走进行搅拌加工，到达设定行走距离后，搅拌工具上升，搅拌加工过程完毕。
[0081] 步骤十一：步骤十第一道加工完毕后，拆卸装配体，通过铣床将加工表面铣削平整。
[0082] 步骤十二：再次将Z方向装夹体装配到工作台上。
[0083] 步骤十三：在与步骤十第一道加工工序相邻位置重新设定加工起点，重复步骤十、步骤十一、步骤十二，直到将整个待加工面加工完毕为止。
[0084] 以上的实例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述
实施例的变化、变型都将落在本发明的
权利要求书范围内。
